长沙地区属中国第9战区部队防区。在第二次长沙会战以后，战区司令长官薛岳召开军事会议，提出了针对日军进攻长沙的“天炉战”计划。所谓“天炉战”，按照薛岳自己的解释：“天炉战者，为在预定之作战地，构成纵网形据点或阵地，配置必要之守备部队，以伏击、诱击、侧击、截击、尾击、堵击诸手段，逐次消耗敌力，挫其锐气，然后于决战地使用优越之兵力，施行反击及反包围，予敌以歼灭打击。

盖为后退决战方法，因敌之变化而变化之歼敌致胜新方略，如炉熔铁，如火炼丹，故名。”其作战方针是：“战区以诱敌深入后进行决战之目的，在敌进攻时，以一部兵力由第一线开始逐次抵抗，随时保持我军于外线，俟敌进入我预定决战地区时，以全力开始总反攻，包围敌军而歼灭之。”“预定在长沙外围与敌决战，决战时重点保持于长沙以东地区。”

12月下旬，国民政府军事委员会下令，第73、第79军分别开至宁乡、益阳和渌口、株洲地区归第九战区指挥；同时将已南下的第4军调返株洲、渌口地区集结待命；调驻广西宜山的第74军进驻衡阳。

第九战区司令长官薛岳，决心集中兵力于湘北方面，诱敌主力于浏阳河、捞刀河之间地区歼灭日军。为此，于12月20日20时下达作战命令。主要内容是：战区副司令长官罗卓英，指挥第26军、第79军及第194师进驻浏阳，日军攻击长沙时，第26军从东向西，第194师从南向北反击。副司令长官王陵基，指挥第78军、第72军进驻平江。第78军在敌进攻长沙时协同第37军从东北向西南侧击。副司令长官杨森，指挥已在平江的第20军、第58军。

第20军首先巩固现阵地后，向王桥、三江口侧面阵地转移，从东向西侧击，并由北向南尾击汩罗江以南之敌。第58军于敌新墙河渡河时由东向西侧击。第37军巩固汩罗江南岸阵地，之后向社港市、更鼓台、金井间山中转移，在敌进攻长沙时协同第78军从东北向西南攻击。第99军在确保归义以西阵地之后，敌进攻长沙时由北面向东南攻击。第10军死守长沙。第73军进驻宁乡、益阳为总预备队。以上预计参战兵力约24万人。薛岳的战区指挥所设在长沙岳麓山。